“细胞电耦合”：关于我们大脑如何运作的突破性假设

脑电波充当信息的载体。 最近提出的“细胞电耦合”假说表明，这些波动的电场有助于优化大脑网络的效率和鲁棒性。 他们通过影响大脑分子框架的物理配置来做到这一点。为了执行包括思维在内的多方面功能，大脑在不同层面上运作。 诸如目标或视觉效果之类的信息是通过神经元网络之间的同步电活动来描述的。 同时，每个神经元内部和周围的蛋白质和其他生化物质的组合在物理上执行参与这些网络所需的机制。

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麻省理工学院、伦敦城市大学和约翰·霍普金斯大学的研究人员发表的一篇新论文认为，网络的电场会影响神经元亚细胞成分的物理配置，以优化网络的稳定性和效率，作者将这一假设称为“细胞电” 耦合。”

Earl K. Miller 就他最近在 Picower 学习与记忆研究所的工作发表了演讲。 图片来源：麻省理工学院 Picower 研究所

“大脑正在处理的信息在将网络微调到分子水平方面发挥着作用，”麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所的皮考尔教授厄尔·K·米勒（Earl K. Miller）说，他是《进步》杂志上这篇论文的合著者。 与麻省理工学院和伦敦城市大学的 Dimitris Pinotsis 副教授以及约翰·霍普金斯大学的 Gene Fridman 教授一起获得神经生物学博士学位。

“大脑会适应不断变化的世界，”皮诺西斯说。 “它的蛋白质和分子也会发生变化。 它们可能带有电荷，需要跟上使用电信号处理、存储和传输信息的神经元。 与神经元电场的相互作用似乎是必要的。”

米勒实验室的一个主要重点是研究工作记忆等高级认知功能如何快速、灵活且可靠地从数百万个单个神经元的活动中产生。 神经元能够通过创建和删除称为突触的连接以及加强或削弱这些连接来动态形成电路。 但是，米勒说，这仅仅形成了信息可以流动的“路线图”。

米勒发现，共同代表一种或另一种想法的特定神经回路是通过有节奏的活动来协调的，更通俗地称为不同频率的“脑电波”。

快速的“伽玛”波有助于传输我们视觉中的图像（例如松饼），而较慢的“贝塔”波可能会承载我们对该图像的更深入的思考（例如“太多卡路里”）。 米勒的实验室表明，在适当的时机，这些波的爆发可以携带预测，从而能够在工作记忆中写入、保留和读出信息。

当工作记忆崩溃时，它们也会崩溃。 该实验室报告的证据表明，大脑可能会明显地操纵特定物理位置的节律，以进一步组织神经元以实现灵活的认知，这一概念称为“空间计算”。

该实验室最近的其他工作表明，虽然网络中单个神经元的参与可能是变化无常且不可靠的，但它们所属的网络携带的信息稳定地由它们的集体活动产生的整体电场表示。

在这项新研究中，作者将这种协调神经网络的节律性电活动模型与电场可以在分子水平上影响神经元的其他证据结合起来。

例如，研究人员研究了突触耦合，其中神经元通过膜的接近程度影响彼此的电特性，而不是仅仅依赖于突触之间的电化学交换。 这种电串扰会影响神经功能，包括它们何时以及是否将电信号传递给电路中的其他神经元。

米勒、皮诺西斯和弗里德曼还引用了研究，显示电对细胞及其成分的其他影响，包括神经发育如何由场引导以及微管可以通过它们排列。

如果大脑在电场中携带信息，并且这些电场能够配置神经元和大脑中形成网络的其他元素，那么大脑很可能会使用这种能力。 作者表示，大脑可以利用场来确保网络发挥其应有的作用。

用“电视迷”的话来说，电视网络的成功不仅仅在于它能够向数百万家庭传输清晰的信号。 同样重要的是细节，比如每个观众家庭如何布置电视、音响系统和客厅家具，以最大限度地提高体验。 米勒说，无论是在这个比喻中还是在大脑中，网络的存在都会激励个体参与者配置自己的基础设施以实现最佳参与。

作者在论文中写道：“细胞电耦合将介观和宏观水平的信息连接到蛋白质的微观水平，而蛋白质是记忆的分子基础。”这篇文章阐述了细胞电偶联的启发逻辑。 “我们提供了一个任何人都可以测试的假设，”米勒说。

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